RUMO AO INTERIOR DA MATÉRIA:

A HISTÓRIA DAS PRIMEIRAS PARTÍCULAS ELEMENTARES

Vicente PleitezInstituto de Física Teórica/UNESP

1900-1949

• O Elétron (1897)• O Fóton (1905)• O Próton (1919)• O Nêutron (1932)• O Neutrino (1933)• O Múon (1937)• O Píon (1947)• A explosão das partículas (1952-)

1897:

J. J. THOMSON:O elétron!

http://www.aip.org/history/electronhttp://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/electron/index.asp

Em 1896 H. Becquerel descobre a radioatividade natural1899 Rutherford: raios , () raios- são elétronsAs partículas emitidas no efeito fotoelétrico são elétronsQuantos elétrons no átomo?1913 Bohr: a radioatividade é um processo nuclear

O próton:

Em 1911 E. Rutherford descobre onúcleo atômico

Em 1920 Rutherford descobre o próton: He +N p + XConjectura também a existência do nêutron, n

Em 1921 J. Chadwick: interações fortes: He + p He + p“o número de partículas ... É muito maior que o esperadoPara forças proporcionais a 1/r2 ...”

O nêutron: VER A PARTE DO NEUTRINO

A IDÉIA DO FÓTON

Kirchhoff

Bunsen

Balmer

Bohr

Wien

Einstein

de Broglie

Heisenberg

Dirac

Schrödinger

MecânicaMatricial TQC

Mecânica Ondulatória

Bose

radiação

matéria

Planckh

G. Kirchhoff

Einstein:“Seria edificante se se pudesse pesar a massa cinzenta que foi sacrificada pelos físicos no altar da função de Kirchhoff; e o fim destes cruéis sacrifícios ainda não está à vista”

1859 HeidelbergÉ uma tarefa de primordial importância descobrir esta função. Surgem grandes dificuldades no caminho da sua determinaçãoexperimental. Todavia, há fundada esperança de que ela tenha uma forma simples, como todas as funções que não dependem das propriedades dos corpos individuaise com as quais já travamos conhecimento no passado

),(8

),( Tc

TJ

1900 EUREKA!!1900 EUREKA!!

1900 PLANCK

1

18),(

/3

3

kThec

hT

E=nh, n=0,1,2,... A energía é emitida em pacotes!

“Depois de algumas semanas

do mais extenuante trabalhoda minha vida, a escuridão

saiu e uma visão inesperada começou aparecer”

Planck resolveu o chamado

PROBLEMA DO CORPO NEGRO resumido na figura

E=h

h=6.58211889(26)x10-22MeV.s

“Quantum de energia”

1918 Planck ganha o Nobel, "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta"

Planck: therefore, developed first the laws of emission and absorption of a linear resonator on the most general basis, in fact I proceeded on such a detour which could well have been avoided had I made use of the existing electron theory of H.A. Lorentz, already basically complete. But since I did not quite trust the electron hypothesis, I preferred to observe that energy which flowed in and out through an enclosing spherical surface around the resonator at a suitable distance from it.

“The product hv, where v is the frequency of vibration of a radiation, is actually the smallest amount of heat which can be radiated at the vibration

frequency v. ... the constant number, ... is a proportionality factor which describes a common, but until now unknown, property of matter. ”

O apresentador: Dr. A.G. Ekstrand:

“While Maxwell's theory is free from any assumptions of an atomistic nature, Lorentz starts from the hypothesis that in matter extremely small particles, called electrons, are the carriers of certain specific charges. These electrons move freely in so-called conductors and thus produce an electrical current, whereas in non-conductors their movement is apparent through electrical resistance“

O apresentador Prof. Hj. Théel, Presidente da Real Academia de Ciencias Sueca

Lorentz (e Zeeman) Nobel de 1902: "in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena"

Nos livros de texto apresenta-se como prova da hipótese do quantum de luz (mais tarde chamado de fóton ):

O efeito fotoelétrico (1905) O efeito Compton (1923) (as vezes Planck 1900) X

Em 1905 Eisntein “generalizou” a hipótese de Planck introduzindo o“quantum de luz”

Planck “quantizou” apenas a emissão e absorção de radiação pelos atómos

Einstein “quantizou” a própria radiação, ou seja, a própria luz

“Mesmo que as cervejas sejam vendidas apenas em garrafas não implica que a cerveja exista apenas em quantidades discretas”

• A luz é uma onda

• O efeito fotoelétrico

metal

ELÉTRONLUZ

1989 HERTZ:

As suas características não se explicavam com os conceitos da física clássica

Einstein 1905:“Sobre um ponto de vista heurístico

da produção e transformação da luz”

“... Parece-me que as observações da `radiação de corpo negro´, fotoluminescência, produção de raios catódicos por luz ultravioletae outros fenômenos associados à emissão ou transformação da luz podem ser mais facilmente entendidas se admitirmos que a energiada luz é distribuída de forma descontínua no espaço ... Na propagação de um raio de luz a energia não é continuamente distribuída sobre volumes cada vez maiores de espaço, mas consiste em um número finito de quanta de energia, localizados em pontos do espaço que se movem sem se dividir e que podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades integrais”

PhE

Algumas observações.

O trabalho de Einstein NÃO É APENAS sobre o efeito fotoelétrico. Dedica a esteapenas uma seção.

O resultado principal é sobre a natureza da radiação (luz): o quatum de luz

Ninguém ganhou o prêmio Nobel por essa descoberta. Einstein ganhouO prêmio em 1921 "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect" (de Broglie em 1929:“for his discovery of the wave nature of the electrons”)

Einstein mostrou que: e freqüências suficientemente altas, a entropia daradiação de corpo negro comporta-se como se a radiação consistisse emum gás de quanta de energia luminífera, cada qual com energia h

Com isso explicou vários efeitos, entre eles o efeito fotoelétrico

mas também a ionização de gases pela luz ultravioleta (base da fotoquímica), e a fotoluminescência

Em 1913, Planck, Nerst, Rubens e Warburg propuseram Einstein para a membroAcademia Prusiana de Ciencias:“... Podemos dizer que dificilmente há um dos grandes problemas, dos quaisa física moderna é tão rica ao qual Einstein não tenha dado uma contribuição.Que ele tenha as vezes errado o alvo, como por exemplo, na sua hipótese dosquantum de luz, não pode ser usado contra ele, dado que é impossível Introduzir novas idéias, mesmo nas ciências mais exatas, sem correr algumtipo de risco.” Mesmo Millikan em 1916 que confirmou a equação acima não acreditava na teoria de Einstein:

A HIPÔTESE DO QUANTUM DE LUZ NÃO FOI ACEITA FACILMENTE!!

Por quase duas décadas (ou talvez mais) fracassou em convencera maioria dos físicos da validade de hipótese do quantum de luz. Mesmo

quando em 1916 R. Millikan confirmara experimentalmente a equaçãoE=h-P

“A despeito do aparente completo sucesso da equação de Einstein ... ... a teoria física é insustentável pelo próprio Einstein”

1913: modelo atômico de Bohr usa E=h

Em 1922 na entrega do

prêmio Nobel:

“A pessar de seu valor heurístico a hipótese dos quanta de luz levou a um dilema bastante imprevisto, pois qualquer imagem corpuscular

seria obviamente irreconciliável com os fenômenos de interferência, ... que só podem ser descritos em termos de uma imagem ondulatória,... a hipótese dos quanta não é capaz de trazer

alguma luz obre a natureza da radiação”

h

EE21

Elétron 1Elétron 2

Elétron virtual

Fóton 1 Fóton 2

1923 EFEITO COMPTON:

Este efeito convenceu à maioria dos físicos do caráter corpuscular da luz. Mas não ao comitê Nobel.

Em 1927 A. Compton ganhou o prêmio Nobel de Física: “for his discovery of the effect named after him"

O apresentador Professor K.M.G. Siegbahn (Nobel de Física 1924): Compton deduziu uma nova classe de teoria corpuscular, com a qualtodos os dados experimentais estão em perfeito acordo ...De acordo com esta teoria o quantum de radiação é reemitido em uma direção definida por apenas um só elétron

O efeito Compton foi considerado para o Nobel em 1925 e 1926. Em 1927 o relator do comitê Nobel, Carl Wilhelm Oseen colocou o interesse do referido efeito e “mostra” que não representa uma prova da teoria corpuscular da luz. O efeito era considerado “obsoleto” afinal em 1925 tinha aparecido a nova dinâmica e esseefeito não tinha nada a ver com isso...

Em 1924 depois da descoberta do efeito Compton Borh, Kramers eSlater publicaram The Quantum Theory of Radiation, nele rejeitavam

a hipótese do quantum de luz, e propunham um esquema onde aconservação de energia era estatística.

É possível que a aversão de Borh pelo fóton não parasse por aí

Em 1925 Einstein da uma palestra no Rio de Janeiro “Remaks on thePresent Situation of the Theory of Light” on comenta o trabalho de BKS.

Talvez foi a última vez que Einstein discutiu isso em público.

As coisas não forma fáceis mesmo para Einstein. Alguns desconfortoscomeçaram depois de seus trabalhos da emissão espontânea e induzida

realizados em 1916-1917 e que são a base dos raios lasers.

No processo da emissão espontânea: “é uma fraqueza da teoria ... deixar ao acaso o tempo e a direção dos processos elementares”. Ele

observa que isso é parecido com o que acontece na radioatividade

“O caráter aleatório dos processos espontâneos significava que algo ia mal com a causalidade clássica. Isto deveria perturbá-lo

profundamente e para sempre” (A. Pais).

“Existem agora, portanto, duas teorias da luz, ambas indispensáveis, e – comotemos que admitir hoje, não obstante vinte anos de tremendo esforço por

parte dos físicos teóricos – sem qualquer conexão lógica”

Em 1951 em carta a M. Besso: “Todos estes 50 anos de meditaçãonão me levaram mais perto de responder à questão. O quê são os quanta de luz?

“Porque parece passar somente uma fração diminuta da sua existência como portador da energia radiante, entanto que o resto do tempo éum elemento da estrutura do átomo ... Eu tomo a liberdade de propor para este novo tipo de átomo hipotético que não é luz, mas joga um papel importante em todo processo radiativo, o nome de fóton”

G. N. Lewis, 1926

1926: fóton

Dirac1927

Heisenberg Schördinger

Teoria Quântica de Campos

R. Feynman, J. Schwinger e S. Tomonaga

QED1949

No livro de Y. Ne’eman e Y. Kirsh The Particle Hunters,“Em 1965 Feyman, Schwinger e Tomonaga ganharam o prêmio

Nobel de Física.Poderiam tê-lo recebido vários anos antes, porém Niels Bohr via com receio a nova teoria e sua atitude negativa

impediu o Comitê Nobel de reconhecer o trabalho daqueles científicos”

Palestra 15/06

A idéia do Neutrino

Decaimento :

(radioatividade natural)

eeArCl 3737

eeZAZA )1,(),(

Exemplo:

CARTA DE PAULI-1930

Caros Damas e cabalheiros: Vou explicar vocês que pelo fato da estatística“errada” do N e do 6Li e do espectro- continuo tenho chegado a um remédiodesesperado para salvar o “teorema de troca” da estatística e a lei de conservação da energia. A saber, a possibilidade de existir nos núcleos partículas eletricamenteneutras, que eu gostaria de chamar de nêutrons, os quais tem espín ½ e obedecem o principio de exclusão e diferem dos quanta de luz porque nãoviajam à velocidade da luz. A massa deve ser da mesma ordem de magnitude dado elétron e não mais que 0.01 da do próton.- O espectro- contínuo pode ser compreendido agora porque no decaimento-, um nêutron é emitido além do elétronde maneira que a soma da energia do nêutron e do elétron seja constante. Agora tratemos da questão de que forças atúam nos nêutron? O mais provável me parece, pelas razões da mecânica ondulatória (os detalhes são conhecidos pelo autor), que o nêutron em repouso é um dipolo magnético de certo valor.

Até 1932 a idéia do átomo era:

Z elétrons orbitais : carga elétrica = -eZ

Núcleo: A prótons e (A-Z) elétrons:

Carga elétrica do núcleo: +Ae – e(A-Z)= +eZ

Carga total do atômo: 0

Se existem elétrons no núcleo:

x

hp

2

fx 2

MeVT 50

Dimensões típicas do núcleo:

Energia cinética do elétron:

Não há evidência de tais energias nos espectros. Mas mesmo assim o modelo era aceito por falta de opções. Além disso funcionava bem

O problema mencionado por Pauli era este: N14

7

No esquema antigo o núcleo do 14N seria composto de:

Prótons: 14Elétrons: 7

Total: 21

Prótons e elétrons são férmions: espín ½com 21 férmions teríamos espín semi-inteiro:O núcleo de 14N seria um férmion também

Experimentalmente: o espín era inteiro, ou seja: O núcleo de 14N seria um BÓSON!

Pauli não da detalhes sobre como o seu “nêutron” resolveria o problema

Em 1932 J. Chadwick descobre o verdadeiro NÊUTRON ainda que não o reconheceu imediatamente:

“Conclui-se que a radiação consiste, não de quanta como até agora suposto mas de nêutrons, partículas de massa 1, e carga 0. Damos evidência de que a massa é provavelment entre 1.005 e1.008. Isto sugere que o nêutron consiste de um próton e um elétron..., a energia de ligação sendo perto de 1 a 2 x106 eV”

Chadwick ainda considerava o nêutron como sendo um composto de 1 próton e um elétron!

Foi D. D. Iwanenko quem observou que o nêutron de Chadwick era outra partícula elementar como o próprio próton

1948

Maurice Golhaber: devemos ser cuidadosos, mesmo após os resultados de Sherwin, deve-se procurar evidências da absorção de neutrinos

Sid Dancoff: temos uma função de onda respeitável, uma bela equação de Dirac, os princípios da mecânica quântica ...

O que mais precisaríamos?

1956

Reines e Cowan conseguem “ver” o neutrino chegar

enp

Sobre a existência dos neutrinos:

AINDA BEM!

A teimosia dos experimentais

• Descoberta da estrutura do próton e nêutron

• A descoberta das “correntes neutras”• A descoberta da existência de 3 tipos de

neutrinos

• Aplicações de neutrinos: astronomia de neutrinos, geoneutrinos, muitas aplicações no dia-a-dia

Finalmente mas não menos importante

1937 C. Anderson descobre o múon

Em 1949 C. Lattes et al descobrem o píon que tinha sido previsto por Yukawa em 1935

A partir de 1952 começa uma verdadeira “expolsão” de partículas: o modelo de quarks põe ordem na casa

ESTES MEREÇEM UMA PALESTRA SEPARADA

“Se a História fosse vista como um repertório para algo mais do que Anedotas ou cronologias, poderia produzir uma transformação decisiva

na imagem de ciência que atualmente domina. Mesmo os próprios cientistas têm haurido essa imagem principalmente no estudo dasrealizações científicas acabadas, tal como estão registradas nos

clássicos e, mais recentemente, nos manuais que cada nova geraçãoutiliza para aprender seu ofício. Contudo, o objetivo de tais livros de

ciência é inevitavelmente persuasivo e pedagógico; um conceitode ciência deles haurido terá tantas probabilidades de assemelhar-seao empreendimento que os produziu como a imagem de uma culturanacional obtida de um folheto turístico ou um manual de línguas. Esteensaio tenta mostrar que esses livros nos têm enganado em aspectos

fundamentais.”

T. S. Kuhn, A Estrutura das Revoluções Científicas,1978

Fonte das fotografias: http://www.aip.org/history/esva/

Créditos:

G. Ekspong, The Dual Nature of Light as Reflected in the NobelArchive, http://nobelprize.org/physics/articles/ekspong/index.html

A bibliografía completa será colocada na versão de texto